美國國家航空暨太空總署（NASA）將在2024年4月8日日全食期間發射三枚探空火箭，以研究當太陽光在地球的一部分上空瞬間變暗時，地球高層大氣會受到怎樣的影響。

日食路徑附近的大氣擾動（APEP）探空火箭將從美國太空總署位於維吉尼亞州的沃勒普斯飛行設施發射，以研究月球與太陽日食時電離層產生的擾動。

探空火箭曾在2023年10月日環食期間從新墨西哥州白沙試驗設施發射並成功回收。這些探空火箭經過整修，並配備了新的儀器，將於2024 年4 月重新發射。這次任務由佛羅裡達州恩布里-里德爾航空大學工程物理學教授Aroh Barjatya 領導，他是該校太空與大氣儀器實驗室的主任。

這張照片顯示的是成功組裝後的三枚APEP 探空火箭和支援團隊。團隊負責人阿羅-巴爾賈提亞站在二樓護欄旁，位於中間上方。資料來源：美國國家航空暨太空總署/貝里特-布蘭德

日食對電離層和通訊的影響

探空火箭將在三個不同時間發射：分別在日食高峰前45 分鐘、日食期間和日食後45 分鐘發射。這些時間間隔對於收集有關太陽突然消失如何影響電離層的資料非常重要，電離層產生的擾動有可能幹擾我們的通訊。

電離層是地球大氣層中的一個區域，距離地面55 到310 英里（90 到500 公里）。 “電離層是一個電氣化區域，它反射和折射無線電訊號，並在訊號通過時影響衛星通信，”Barjatya 說。 “了解電離層並開發模型來幫助我們預測幹擾，對於確保我們這個日益依賴通訊的世界順利運作至關重要。”

這個概念動畫是觀測者在日全食（如2024 年4 月8 日發生在美國上空的日全食）期間可能看到的景象的一個例子。美國國家航空暨太空總署科學視覺化工作室

電離層研究的挑戰與機遇

電離層是地球低層大氣（我們生活和呼吸的地方）與真空空間之間的邊界。電離層由被太陽能量或太陽輻射電離或帶電的粒子組成。當夜幕降臨時，電離層會逐漸變薄，因為先前電離的粒子會鬆弛下來，重新聚集成中性粒子。然而，地球的陸地天氣和太空天氣會對這些粒子產生影響，使電離層成為一個動態區域，很難知道電離層在特定時間會是什麼樣子。

動畫描述了電離層在24 小時內的變化。紅色和黃色區域代表白天的高密度電離粒子。紫色點代表夜間的中性、鬆弛粒子。資料來源：NASA/Krystofer Kim

通常很難利用衛星來研究日食期間電離層的短期變化，因為衛星可能無法在正確的地點或時間穿越日食路徑。由於日全食的確切日期和時間是已知的，美國國家航空暨太空總署可以發射有針對性的探空火箭，在適當的時間和電離層的所有高度研究日食的影響。

當食影穿過大氣層時，會產生快速的局部日落，引發大尺度大氣波浪和小尺度擾動或擾動。這些擾動會影響不同的無線電通訊頻率。收集有關這些擾動的數據將有助於科學家驗證和改進當前的模型，這些模型有助於預測我們的通信，尤其是高頻通信可能受到的干擾。

動畫描述了2017 年日全食期間電離粒子產生的波。資料來源：麻省理工學院海斯塔克天文台/張順榮。 Zhang, S.-R., Erickson, PJ, Goncharenko, LP, Coster, AJ, Rideout, W. & Vierinen, J. (2017).2017 年8 月21 日日食誘發的電離層弓波與擾動。 Geophysical Research Letters, 44(24), 12,067-12,073. https://doi.org/10.1002/2017GL076054.

APEP 火箭的最大飛行高度預計為260 英里（420 公里）。每枚火箭將測量帶電粒子和中性粒子密度以及周圍的電場和磁場。 Barjatya解釋說：”每枚火箭都將彈射出四個二級儀器，大小相當於一個兩公升的汽水瓶，同樣測量相同的數據點，因此它與15枚火箭的結果類似，但只發射了3枚。每枚火箭上的三個輔助儀器由安柏里德爾公司製造，第四個由新罕布什爾州的達特茅斯學院製造。”

除火箭外，美國的幾個小組還將透過各種手段對電離層進行測量。恩布里-里德爾大學的學生小組將部署一系列高空氣球。馬薩諸塞州麻省理工學院海斯塔克天文台和新墨西哥州空軍研究實驗室的合作研究人員將操作各種地面雷達進行測量。利用這些數據，恩布里-里德爾大學和約翰霍普金斯大學應用物理實驗室的科學家團隊正在完善現有模型。這些不同的調查將有助於為了解電離層動力學的全貌提供所需的拼圖。

探空火箭能夠在距離地球表面30 到300 英里的高空攜帶科學儀器。這些高度對於科學氣球來說通常太高，而對於衛星來說又太低，無法安全到達，因此探空火箭就成了唯一能在這些區域進行直接測量的平台。資料來源：美國國家航空暨太空總署戈達德太空飛行中心

期待即將到來的日全食

當APEP 探空火箭在2023 年日環食期間發射時，科學家看到，當日環食陰影掠過大氣層時，帶電粒子的密度急劇下降。 Barjatya說：「我們在第二枚和第三枚火箭上看到了能夠影響無線電通訊的擾動，但在當地日食高峰之前的第一枚火箭上卻沒有看到。我們非常期待在日全食期間重新發射它們，看看擾動是否從相同的高度開始，其幅度和範圍是否保持不變”。

美國毗連地區的下一次日全食要到2044 年才會發生，因此這些實驗是科學家收集關鍵數據的難得機會。

APEP發射將透過美國太空總署瓦勒普斯飛行設施的官方YouTube頁面進行直播，並在美國太空總署的日全食官方廣播中播出。民眾也可以從下午1 點到4 點在美國太空總署瓦勒普斯飛行設施遊客中心親自觀看發射。

編譯自: ScitechDaily